李細(xì)生 ,陳 媛,張克非,易 飛,張 華,鄧新林
(1.氣象防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙 410118;2.株洲市氣象局,湖南 株洲 412003)
大氣重污染是指AQI(Air Quality Index)指數(shù)達(dá)200以上的天氣[1],研究表明[2]重污染天氣嚴(yán)重影響人體健康和動植物生長,引發(fā)人類各種呼吸道疾病與生理機(jī)能障礙。黨的十九屆五中全會審議通過的《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)的建議》提出基本消除重污染天氣。為達(dá)此目標(biāo),研究重污染天氣的成因并掌握其規(guī)律十分關(guān)鍵。2+26城的集中攻關(guān)研究結(jié)果表明重污染天氣的形成跟排放、不利的氣象條件和區(qū)域傳輸?shù)热齻€方面有關(guān)[3~6],其中超環(huán)境容量的排放是主因和內(nèi)因,不利的氣象條件是誘因[7]。形成重污染的這三個因素中,排放因素通常是可預(yù)測或人為控制的,如節(jié)日焰火等,而區(qū)域傳輸也是需要合適的氣象條件,比如一致性的輸送氣流,因此,只要準(zhǔn)確掌握形成大氣重污染的氣象條件和傳輸條件,大多數(shù)重污染事件就具有可預(yù)報(bào)性。西安重污染氣象條件的分析[8]表明:嚴(yán)重污染與非污染時段氣象條件差異明顯。北京區(qū)域重污染與天氣形勢之間的關(guān)系研究[9]顯示,根據(jù)地面天氣形勢差異,對北京地區(qū)持續(xù)重污染過程分類,結(jié)果為:3類,分別是被高壓、低壓、均壓控制,各類型發(fā)生的頻次分別占總類型的47.3%、18.2%、34.5%。長江中游城市武漢的重污染天氣形勢與北方城市相比差別較大,李明[10]的研究發(fā)現(xiàn):武漢的重污染天氣形勢分為冷空氣入侵、靜穩(wěn)天氣兩種類型。長株潭作為長江以南中國中部地區(qū)重要的城市群,每年特護(hù)期(10月16日至次年3月15日)的空氣污染防治形勢依然十分嚴(yán)峻[11~13],重污染頻率仍有5.83次/年,盡管經(jīng)過多年治理,取得一些改善,但目前也進(jìn)入了深水區(qū),各項(xiàng)工作向前推進(jìn)的難度在加大[14-15]。基于此,研究并弄清長株潭大氣重污染的成因并掌握其特點(diǎn),可顯著提高該地環(huán)境空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)預(yù)警水平和準(zhǔn)確率,為進(jìn)一步做好湖南重污染應(yīng)對工作、盡可能消除重污染天氣提供科學(xué)依據(jù)。
本文統(tǒng)計(jì)了2014~2019年長株潭三市的環(huán)境空氣監(jiān)測日數(shù)據(jù)和小時數(shù)據(jù),定義三市中任意一市或以上有1 d或以上AQI指數(shù)大于200即為一次重污染過程,在連續(xù)性過程中如果三市全部轉(zhuǎn)為中度或以下有1 d或以上,即分算兩次過程。如此六年中總共有重污染過程35次。根據(jù)這些重污染天氣的形成原因,將其分為冷空氣侵入型(74.3%)、節(jié)日鞭炮燃放型(17.1%)、高空干槽型(5.7%)和靜穩(wěn)型(2.9%)等四個類型。分析表明長株潭絕大部分重污染過程因冷空氣入侵所致(74.3%),本文針對典型冷空氣個例討論重污染天氣形成的氣象機(jī)理,探討空氣的動力、熱力及水汽變化在重污染形成中的作用,分析不同冷空氣路徑下空氣污染的特征,指出重污染形成的四類典型路徑即西路、北路、東路和復(fù)合路,最后利用Meteoinfo計(jì)算了2014~2019年12月和1月長沙站的后向軌跡并聚類,輸入同時期的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù),進(jìn)行濃度權(quán)重軌跡(CWT)分析,證實(shí)前文將湖南因冷空氣導(dǎo)致的重污染路徑分為西路、北路、東路和復(fù)合路徑是合理的。
本文所用氣象資料來源于氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)MICAPS4,環(huán)境空氣監(jiān)測數(shù)據(jù)來源于長株潭環(huán)境監(jiān)測國控站點(diǎn),部分濃度數(shù)據(jù)來源于PM2.5真氣網(wǎng)(https://www.aqistudy.cn/)即空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺,后向軌跡模式采用由NCEP為研究空氣軌跡和大氣擴(kuò)散而同化模擬的GDAS氣象資料,下載地址:ftp://arlftp.arlhq.noaa.gov/pub/archives/gdas1,后向軌跡聚類、濃度權(quán)重軌跡分析法(CWT)來自于氣科院MeteoinfoMap軟件中的TrajStat模塊。
長株潭的重污染過程,除每年春節(jié)出現(xiàn)的重污染與本地?zé)熁ū夼诩信欧胖苯酉嚓P(guān)外,其余大部分過程與氣象因素的變化有關(guān),如濕度增加、風(fēng)向的改變(南風(fēng)轉(zhuǎn)北風(fēng))均可能誘發(fā)重污染天氣。從導(dǎo)致這些氣象要素改變的影響天氣系統(tǒng)來看,冷空氣排首位,其次是高空干槽,靜穩(wěn)型出現(xiàn)次數(shù)較少。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果(見表1)。
表1 長株潭重污染天氣成因分型Tab.1 Classification of causes of heavy pollution weather in Chang Zhu Tan
總共35次(50 d)重污染過程中,有6次為集中排放(春節(jié)因素),占17.1%,每年春節(jié)皆因初一前后集中燃放煙花鞭炮,造成重污染,平均最高日AQI指數(shù)達(dá)276,小時AQI指數(shù)可達(dá)500;有26次為冷空氣影響,占74.3%;有2次為高空干槽影響,占5.7%;1次為靜穩(wěn)天氣型,占2.9%。從出現(xiàn)頻次來看,冷空氣侵入型>節(jié)日鞭炮燃放型 >高空干槽型>靜穩(wěn)型,如以最高平均AQI指數(shù)大小來判斷污染程度,則是節(jié)日鞭炮燃放型>冷空氣侵入型>高空干槽型>靜穩(wěn)型。下面就以出現(xiàn)頻次為順序?qū)@四個類型逐一分析:
據(jù)統(tǒng)計(jì)[16],影響湖南的冷空氣頻率約為15.5次/年(232/15),而長株潭重污染的頻率約為5.8次/年(35/6),由冷空氣導(dǎo)致的重污染4.3次/年(26/6),即大部分冷空氣過程不會導(dǎo)致重污染,但絕大多數(shù)重污染過程與冷空氣活動有關(guān)(74.1%),這些冷空氣有強(qiáng)有弱,有些弱的冷空氣在氣壓場上看不到升壓,甚至3h變壓或24h變壓為負(fù),只在地面風(fēng)場上由偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng),但往往就是這種不受天氣預(yù)報(bào)重視的弱的冷空氣,常常能導(dǎo)致非常嚴(yán)重的空氣污染過程;冷空氣有干也有濕,大部分為干冷空氣(無有效降雨),其中有少數(shù)(2~3次)為濕冷空氣影響,有降雨(大于0.5mm/d)同時也有重污染。據(jù)分析,冷空氣誘發(fā)重污染的物理機(jī)制主要有三個方面:一、動力作用:因風(fēng)力增大,沉落在地表的塵土在誘導(dǎo)空氣流的帶動下進(jìn)入大氣,造成環(huán)境空氣中懸浮顆粒物增多,此外,一致性的風(fēng)力可將高污染區(qū)域的顆粒物向下游輸送,在重污染過程中,上游輸入是造成本地顆粒物增加的主要原因,其貢獻(xiàn)有時可占70%以上[17];二、熱力作用:淺薄弱冷空氣氣層的入侵可改變近地面大氣層結(jié)特性,使接近地面的下層降溫,而上層升溫或不變,形成氣溫下低上高的逆溫結(jié)構(gòu),增加大氣垂直方向的穩(wěn)定性,從而導(dǎo)致氣流垂直交換減少,下層污染物不易往上擴(kuò)散;三、增加相對濕度:當(dāng)空氣中的絕對水汽含量不變時,溫度下降可導(dǎo)致相對濕度的增加,已有研究表明[18~20],相對濕度增加會促進(jìn)氣溶膠非均相反應(yīng),加速氣態(tài)前體物向顆粒物轉(zhuǎn)化,形成更多的二次氣溶膠。
圖1 株洲站2017年2月16~20日AQI與相對濕度、風(fēng)向、風(fēng)速的變化Fig.1 Changes of AQI,relative humidity,wind direction and wind speed in Zhuzhou Railway Station from February 16 to 20,2017
冷空氣影響個例:2017年2月17~19日的重污染過程,本次過程中,重污染的形成明顯與冷空氣活動有關(guān),單站風(fēng)向的變化與AQI重污染時段吻合較好(圖1),而且有3h的提前量。17日14時冷鋒過境株洲站,地面由偏南風(fēng)轉(zhuǎn)為偏北風(fēng),2h后AQI達(dá)峰值330,至18日20時一直由偏北風(fēng)控制(圖1中紅框內(nèi)),AQI維持在200左右,可見在冷鋒過境后,氣團(tuán)性質(zhì)由暖氣團(tuán)轉(zhuǎn)為冷氣團(tuán)是誘發(fā)AQI指數(shù)上升的可能原因。為便于分析冷空氣入侵導(dǎo)致的PM2.5濃度增量,繪出本次過程中岳陽-長沙-株洲三城市的PM2.5濃度隨時間變化曲線(圖2)。三城市地理位置自北向南分布,冷空氣首先影響岳陽,然后到達(dá)長沙,最后影響株洲。PM2.5濃度時序圖上,三城市的濃度變化曲線出現(xiàn)較明顯的時序性,岳陽的PM2.5濃度17日13時到達(dá)峰值189μg/m3,6h增量134μg/m3;長沙濃度的達(dá)峰時間為14時,延時1h,最大濃度為280μg/m3,6h增量222μg/m3;株洲的達(dá)峰時間為16時,延后2h,峰值282μg/m3,6h增量172μg/m3。這種明顯的時序性表明污染物濃度的上升與冷空氣活動高度相關(guān),而且冷鋒過境后PM2.5濃度增加明顯,長株潭地區(qū)因?yàn)榛A(chǔ)數(shù)據(jù)較高,增量比上游城市岳陽更顯著。
圖2 岳陽、長沙、株洲三城市PM2.5濃度隨時間變化Fig.2 PM2.5 concentration variation with time in Yueyang,Changsha and Zhuzhou
圖3 地面冷鋒與重污染區(qū)Fig.3 Surface cold front and heavily polluted area
水平空間上,在地面天氣圖上疊加同時間的重污染區(qū)(圖3),圖中橘黃色重污染區(qū)跟隨冷鋒往南運(yùn)動,因?yàn)槭歉衫淇諝?,無降雨沉降,17日08時,鋒后的重污染區(qū)范圍較大,形狀上呈東西向鍥形,西邊華中部分較為寬廣,東部的華東部分較為狹長,此時冷鋒已越過長江,而重污染區(qū)仍在江北。至20時,隨著冷空氣進(jìn)一步向南擴(kuò)散,冷鋒繼續(xù)往南發(fā)展,冷鋒的西邊部分已到達(dá)湘南,而重污染區(qū)隨之控制長株潭地區(qū),冷鋒東部也繼續(xù)向南影響浙南和贛北,因長江口附近出現(xiàn)降雨,東部的重污染區(qū)開始向西收縮存在于贛北。本次過程中重污染生成階段其區(qū)域出現(xiàn)于鋒后,隨著冷高壓主體進(jìn)一步南下而消失,表明它的形成跟冷空氣活動關(guān)系密切。2月18日08時,重污染維持階段,垂直方向分析長沙黃花站氣象探空圖(圖4),925百帕以下有淺薄冷空氣南下入侵,此高度附近逆溫特征明顯,逆溫層離地高度0.6~1.4km,厚度為0.8km,強(qiáng)度為0.75℃/100m,此逆溫層的存在不利于污染物的垂直擴(kuò)散,易導(dǎo)致重污染天氣。
結(jié)合歷史天氣圖和空氣質(zhì)量實(shí)測數(shù)據(jù),長株潭的26次冷空氣導(dǎo)致型重污染分析:
(1)與冷空氣的路徑、強(qiáng)度和干濕狀況密切相關(guān)
據(jù)1966年以來的氣象資料,專家總結(jié)[16]進(jìn)入湖南的冷空氣路徑通常有三條:西路(頻率15.2%)、北路(頻率60.2%)和東路(24.6%)。西路冷鋒坡度大,移速快,在河套及河套西部堆積,越過秦嶺后呈東北-西南向往東南方移動,由湘西北的桑植、保靖、石門進(jìn)入湖南省,天氣特點(diǎn)是鋒后雨區(qū)狹窄,西北風(fēng)風(fēng)力較大而風(fēng)雨影響時間較短,一般10h左右天氣轉(zhuǎn)晴。由于西路冷空氣來去快、風(fēng)力大的特點(diǎn),通常不易產(chǎn)生重污染天氣,但并非完全沒有,統(tǒng)計(jì)時段內(nèi)有2次重污染即由西路弱冷空氣所致,占7.7%(2/26);北路冷空氣出現(xiàn)頻率高,常在河套東部堆積停留,此處有高污染城市如西安、太原、石家莊、鄭州等,堆積到達(dá)一定強(qiáng)度后冷鋒呈東西向往南移動,從長江中游由湘北的澧縣、津市進(jìn)入湖南。北路冷空氣出現(xiàn)次數(shù)多,頻率高,強(qiáng)度上有強(qiáng)有弱,伴隨天氣復(fù)雜,較強(qiáng)的冷空氣常帶來大風(fēng)、降溫、寒潮、暴雪和雨凇等災(zāi)害性天氣。就重污染預(yù)警而言,此路徑下的重污染過程次數(shù)最多,達(dá)16次,占61.5%,需特別關(guān)注強(qiáng)度中等偏弱(冷高壓中心強(qiáng)度1030~1045hPa)、鋒后無雨區(qū)伴隨的干冷空氣;東路冷空氣路徑偏東(比如前文分析的2017年2月17日過程),越過40oN后,在黃河下游停留堆積,此處高污染城市眾多,污染風(fēng)險較大,然后侵入江淮地區(qū),再向西南方向移動,先影響合肥、南京,然后由長江河谷倒灌武漢,經(jīng)由湘東北的岳陽進(jìn)入湖南,少數(shù)時候也可由鄱陽湖平原經(jīng)南昌由萍鄉(xiāng)進(jìn)入湖南。此路徑下的冷空氣特點(diǎn)是:強(qiáng)度較弱,移速較慢,影響時間長,常在南嶺準(zhǔn)靜止而造成湖南持續(xù)性低溫陰雨和雨凇天氣。統(tǒng)計(jì)時段內(nèi),東路冷空氣帶來的重污染過程有5次,占19.2%,因東路冷空氣移動路徑的反“L”型特征(圖5c),常將華北和華東的污染物向南、向西輸送影響華中地區(qū),預(yù)報(bào)時需注意華東和華中有無雨區(qū)伴隨,雨區(qū)的強(qiáng)度與范圍大小,以及數(shù)值模式對本地未來的降雨量預(yù)報(bào)。
圖4 2017年2月18日08時長沙黃花站氣象探空曲線Fig.4 Meteorological sounding curve of Changsha Huanghua Station at 08:00 on February 18,2017
此外,連續(xù)數(shù)日的持續(xù)性重污染過程通常是由多股弱冷空氣補(bǔ)充南下所造成的,這些后期補(bǔ)充下來的冷空氣路徑有時與開始時的路徑一致,有時,隨著中高緯冷高壓中心主體的東移,冷空氣南下的路徑也隨之東移,由北路轉(zhuǎn)為東路。統(tǒng)計(jì)時段內(nèi)最嚴(yán)重、持續(xù)時間最長的3次重污染過程即由復(fù)合路徑(北路和東路)下冷空氣影響所致。
(2)重污染形成有四類典型路徑
在湖南冬季,約1/3~1/4的冷空氣可導(dǎo)致重污染,能否導(dǎo)致重污染的一個重要判別指標(biāo)是看冷空氣侵入沿線城市是否有重污染現(xiàn)象與之配合,這類重污染常通常具有較顯著的上下游效應(yīng),上游城市的空氣質(zhì)量實(shí)況變化對下游城市的重污染預(yù)報(bào)、預(yù)警至關(guān)重要。據(jù)近六年的環(huán)境觀測資料統(tǒng)計(jì),重污染形成通常有四類較為典型的路徑:西路、北路、東路和復(fù)合路徑(圖5),其中西路、北路和東路與冷空氣活動的路徑高度重合。較典型的西路重污染路徑通常是西安-漢中-達(dá)州-恩施-張家界-長株潭,北路為鄭州-南陽-襄陽-荊州-常德-長株潭,東路為濟(jì)南-合肥-武漢-南昌-岳陽-萍鄉(xiāng)-長株潭,復(fù)合路徑較為多見的是北路與東路先后或交替出現(xiàn),對于此復(fù)雜路徑下的重污染需根據(jù)天氣形勢的演變及時調(diào)整關(guān)注線路。
(3)本地前期污染累積是形成重污染的基礎(chǔ)
重污染天氣常常是各種因素疊加的結(jié)果。據(jù)統(tǒng)計(jì),長株潭所有的過程在重污染出現(xiàn)的前一天就已經(jīng)達(dá)到輕度或中度污染(100%),表明污染物并非全部來源于外地輸送,本地前期污染累積是形成重污染的基礎(chǔ)。此外,冬半年冷空氣入侵時常常伴隨有氣溫下降,降溫情況下各地能源使用量會明顯增加,從而造成部分大氣污染物排放量的增加。這也可能是冷空氣導(dǎo)致重污染的原因之一。
在長株潭地區(qū),目前基本已無大規(guī)模排放污染的企業(yè),因此本文所述的集中排放主要指重大慶典、重要節(jié)日的煙花鞭炮燃放行為,其中春節(jié)是中國最盛大的一個古老傳統(tǒng)節(jié)日,人們過年離不開喜慶的爆竹煙花。據(jù)統(tǒng)計(jì),2014~2019年每年春節(jié)都有因煙花鞭炮的燃放而導(dǎo)致重污染的現(xiàn)象,表2為這6年春節(jié)株洲AQI及各單項(xiàng)濃度峰值。
表2 株洲2014~2019年春節(jié)AQI及單項(xiàng)小時濃度峰值Tab.2 Spring festival AQI and single hourly concentration peak in Zhuzhou from 2014 to 2019
春節(jié)期間的重污染基本每年出現(xiàn),時間長短不一,究其原因,主要受鞭炮燃放影響明顯,總結(jié)一下還有以下幾個特點(diǎn)。
(1)峰值時間一般出現(xiàn)在大年初一的0~9時;
(2)首污一般為PM2.5,但PM10、SO2亦同步升高;
(3)如前期久晴無雨,且天氣靜穩(wěn),或恰好有干冷空氣影響,則污染嚴(yán)重,持續(xù)時間長,反之則輕且時間短;
高空干槽型過程占比較小,在統(tǒng)計(jì)時段內(nèi)共出現(xiàn)了2次,分別是2014年2月23日和2015年1月9日,且污染程度較輕,日AQI分別為236、216,時間較短(1d)。較典型的形勢是:前期天氣靜穩(wěn),基礎(chǔ)AQI為輕-中度污染(100~200),500hPa槽線位于四川南部,強(qiáng)度較弱且長度較短,移速較快,700hPa槽線位置與500hPa基本重疊,但相對深且長,南部槽底到達(dá)云南邊境。高空天氣形勢如下圖所示(圖6)。
圖6 干槽型高空天氣形勢(2014年2月23日08時)Fig.6 Dry trough type upper air weather situation (at 08:00 on February 23,2014)
地面形勢為高壓底后部,無明顯冷空氣活動。此類過程不似冷空氣過程,有動力作用和熱力作用,僅僅因?yàn)楦呖沼械筒蹡|移導(dǎo)致云量增加、濕度上升等天氣要素的改變,而濕度上升在某種特定情形下可導(dǎo)致污染顆粒物的吸濕增長和二次生成,造成重污染天氣。
本類過程只出現(xiàn)1次(2016年12月8日),占比非常小,污染程度較輕(AQI:213),污染時間短(11h),主要特點(diǎn)是:前期12月1日以來連續(xù)8d無有效降雨,空氣質(zhì)量為輕度或中度污染;地面為變性冷高壓控制,北方無冷空氣活動,江南、華南等壓線稀疏,長株潭處于均壓場或鞍型場之中;8日08~20時風(fēng)向?yàn)槠巷L(fēng),風(fēng)力較弱(≤2m/s),天氣為晴天,湘、贛等地有大片霾區(qū),長株潭地區(qū)水平能見度小于3km;高空500hPa為槽后西北氣流控制,無明顯槽脊活動。靜穩(wěn)型的污染機(jī)制是均壓、小風(fēng)、無雨條件下的污染物累積,近年來隨著各類管控措施的加強(qiáng),單純靜穩(wěn)型重污染已很少出現(xiàn)。
12月和1月是長株潭重污染的高發(fā)月份,全年中74%的過程出現(xiàn)在這兩個月。下載GDAS氣象數(shù)據(jù),輸入2014~2019年12月和1月長沙的PM2.5小時均值濃度,利用MeteoinfoMap軟件作后向軌跡聚類分析和濃度權(quán)重軌跡分析(CWT),結(jié)果如圖(圖7),12月長沙的外源污染路徑以偏北和偏東為主,其中路徑2、3、4、5均屬于偏北路徑(圖7a),占比共計(jì)64%,主要從河南省中部向南略偏西沿直行路線進(jìn)入湖南;路徑1屬于偏東路徑,此線路距離短,風(fēng)速小,占比36.09%,48h的后向追蹤顯示路徑起源于湖北省東南部,從湘東北進(jìn)入湖南。1月 (圖7b)與12月的不同之處在于,出現(xiàn)明顯的偏西路徑(路徑5),占比5.34%,路徑較長,表明風(fēng)速大,輸送距離遠(yuǎn),2、3、4路徑(偏北)占比增加,有77.7%,出現(xiàn)明顯的分岔,濃度權(quán)重軌跡(CWT)也出現(xiàn)南北向條狀紋理,表示偏北路徑上外源入湘的復(fù)雜性,偏東路徑占比縮小,只有17.01%。軌跡聚類和CWT分析表明外源入湘的路徑有偏西、偏北和偏東三種路徑,與前文診斷分析得出的結(jié)果較為一致,至于是否存在復(fù)合路徑,則需要針對具體過程具體分析。
圖7 長沙后向軌跡聚類和CWT分析Fig.7 Clustering and CWT analysis of Changsha backward trajectory
(1)本文統(tǒng)計(jì)了2014~2019年長株潭三市的環(huán)境空氣監(jiān)測數(shù)據(jù)以及1966年以來的氣象數(shù)據(jù),分析這六年中出現(xiàn)的35次重污染過程,根據(jù)這些重污染天氣的形成原因,將其分為冷空氣導(dǎo)致型(74.3%)、節(jié)日鞭炮燃放型(17.1%)、高空干槽型(5.7%)和靜穩(wěn)型(2.9%)等四個類型。
(2)研究發(fā)現(xiàn)長株潭絕大部分重污染過程跟冷空氣入侵有關(guān),針對典型冷空氣個例探討重污染天氣形成的氣象機(jī)理,研究冷空氣的動力作用、熱力作用和水汽變化在重污染天氣形成中的作用,總結(jié)不同冷空氣路徑下空氣重污染的特征,發(fā)現(xiàn)重污染形成的四種典型路徑即西路、北路、東路和復(fù)合路,前三類與冷空氣活動路徑重合度較高。
(3)利用Meteoinfo計(jì)算了2014~2019年12月和1月長沙站的后向軌跡并聚類,利用TrajStat模塊進(jìn)行CWT分析,發(fā)現(xiàn)有冷空氣活動時,外源入湘的路徑存在有西路、北路和東路,與診斷分析結(jié)果一致,而復(fù)合路徑則不太顯著。